（工程热物理专业论文）COlt2gt跨临界双级循环理论分析与试验研究.pdf

中文摘要 基于节能减排的背景和发展趋势，c 0 2 制冷空调和热泵具有很好的应用前 景。通过理论分析与试验测试相结合，本文重点对c 0 2 跨临界双级循环进行研 究与分析，为探寻高效、稳定运行的c 0 2 跨临界循环方式提供基础资料。 运用热力学方法，在三种c 0 2 跨临界单级循环基准上，分别对六种双级循 环进行了理论分析。结果表明，带膨胀机双级循环性能普遍优于带节流阀循环， 双级循环优于单级循环，中间冷却器和回热器对循环效率的提高都有贡献。考虑 膨胀机设计和加工因素，作为应用基础研究的第一步，c 0 2 跨临界双级中间冷却 器带节流阀循环t s c v + i c 是一种有发展前景的c 0 2 跨临界循环方式。 在现有条件下改制了一台c 0 2 双级活塞压缩机，并以其为对象进行了热力 学和运动学计算，并就压缩过程的各种不可逆损失进行了计算。由于采用了双级 压缩，在各种损失中，流动损失和摩擦损失所占比例较大，而泄漏损失和传热损 失所占比例较小。 基于双级循环系统及超临界和亚临界c 0 2 传热和流动过程分析，分别对c 0 2 跨临界双级循环高、低压级气体冷却器和中间冷却器进行了分析与结构设计：可 为c 0 2 相关换热器的设计提供依据。 对c 0 2 跨临界单级带回热器循环s c v + i h x 和c 0 2 跨临界单级带节流阀循环 s c v 两种基准试验分别进行了性能对比测试，同时测试了气体冷却器、回热器 和套管式蒸发器的性能，为c 0 2 跨临界双级循环设计和优化提供对比试验数据。 c 0 2 跨临界双级循环试验测试表明，在中间压力或中间温度变化范围内，c 0 2 跨临界双级中间冷却器带节流阀循环t s c v + i c 和c 0 2 跨临界双级两个气体冷却 器带节流阀循环t s c v + t g 存在最大制冷c o p c 和制热c o p h ，且每个循环最大 制冷c o p c 和制热c o p h 对应的最优中间压力或最优中间温度分别基本相等。 相同测试条件下，c 0 2 跨临界双级中间冷却器带节流阀循环t s c v + i c 具有 较高的性能。其中，制热量q h 和制冷量q 。分别比c 0 2 跨临界双级两个气体冷却 器带节流阀循环t s c v + t g 平均高约1 0 和6 ，制热c o p h 和制冷c o p c 比双 级循环t s c v + t g 平均高约8 和5 。c 0 2 跨临界双级循环t s c v + i c 和 t s c v + t g 的理论分析与试验测试结果比较吻合。 关键词：c 0 2 跨临界双级循环；气体冷却器；中间冷却器；最优中间压力；c o p a b s t r a c t b a s e do ni n t e r n a t i o n a lb a c k g r o u n do fe n e r g ye f f i c i e n c ya n de m i s s i o nr e d u c t i o n ， t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ep r o d u c t so fr e f r i g e r a t i o na i rc o n d i t i o na n dh e a tp u m p s p o s s e s sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e c o m p a r i s o na n a l y s i so fc 0 2 t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l ew a se m p l o y e dm a i n l yb y c o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y s o m ef u n d a m e n t a ld a t ao f i n v e s t i g a t i n gh i g he f f i c i e n c ya n ds t e a d yo p e r a t i o nc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l em o d ew e r e o b t a i n e d o nt h eb a c k g r o u n do ft h r e ed i f f e r e n tk i n d so fc 0 2t r a n s c r i t i c a ls i n g l es t a g ec y c l e ， t h es i xk i n d so fc 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l ew e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db y t h e r m o d y n a m i c si n t h i s d i s s e r t a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o po fc 0 2 t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l ew i t he x p a n d e ri sb e t t e rt h a nt h ec y c l ew i t hv a l v e ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft w os t a g ec y c l ei sa l s ob e t t e rt h a nt h es i n g l es t a g ec y c l e t h e i n t e r c o o l e ra n di n t e r n a lh e a te x c h a n g e rp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p i n gc y c l e p e r f o r m a n c e a st h ea p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n ds y n t h e t i c a lc o n s i d e r a t i o no f f a c t o r so fd e s i g na n dm a c h i n i n g ，t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l et s c v + i cw i t h i n t e r c o o l e ra n dv a l v eh a sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t ac 0 2t w os t a g ep i s t o nc o m p r e s s o rw a sd e s i g n e da n dm a c h i n i n g e da n dt h e c a l c u l a t i o no ft h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sw e r ee m p l o y e d t h ei r r e v e r s i b l el o s s s i m u l a t i o na n a l y s e so ft w os t a g ec y c l ei n d i c a t et h a tt h ef l o wl o s sa n df r i c t i o n a ll o s s h a v et h el a r g e s tr a t i o s ，t h el e a k a g el o s sa n dh e a tt r a n s f e rl o s sp o s s e s st h es m a l l e r r a t i o s d u et oc 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l es y s t e mc o n s t i t u t e s ，c h a r a c t e r i s t i co f s u p e r c r i t i c a la n ds u b c r i t i c a lc 0 2h e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p ，t h ec 0 2g a sc o o l e r a n di n t e r c o o l e rw e r ea n a l y s e da n dd e s i g n e d ，r e s p e c t i v e l y , a n ds o m es i g n i f i c a t i v e a s s i s t a n c ec a nb eo b t a i n e df o rc 0 2 e x c h a n g e r t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt e s t i n go ft w ok i n d sb a s e de x p e r i m e n to fc 0 2 t r a n s c r i t i c a ls i n g l es t a g ec y c l es c v + i h xw i t hi n t e r n a lh e a te x c h a n g e ra n dc 0 2 t r a n s c r i t i c a ls i n g l es t a g ec y c l es c vw i t hv a l v ew e r ee x e c u t e d ，r e s p e c t i v e l y a tt h e s a m et i m e ，t h ep e r f o r m a n c eo fg a sc o o l e r , i n t e r n a lh e a te x c h a n g e ra n dt u b e i n t u b e e v a p o r a t o rw e r et e s t i n go nt h ee x p e r i m e n t a lb e n c ho fc 0 2t r a n s c r i t i c a ls i n g l es t a g e c y c l es c v + i h xa n ds i n g l es t a g ec y c l es c va n dt h eb e n e f i c i a lt e s td a t aw a sp r o v i d e d f o rr e s e a r c ho nt h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l e t h et w os t a g ec y c l et s c v + i ca n dc y c l et s c v + t go fc 0 2t r a n s c r i t i c a l e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e f r i g e r a t i o nc o p ca n dh e a tc o p hh a v et h e o p t i m u mv a l u ew i t ht h ev a r i a t i o no fs y s t e mi n t e r m e d i a t ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e i n t h eg i v e ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h em a x i m u mo f r e f r i g e r a t i o nc o p ca n dh e a tc o p h h a v et h es a m eo p t i m u mi n t e r m e d i a t ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y i ns a m et e s t i n gc o n d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fc 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l e t s c v + i ci sb e r e rt h a nt h et w os t a g ec y c l et s c v + t g t h eh e a to u t p u tq ha n d r e f r i g e r a t i n go u t p u tq co ft w os t a g ec y c l et s c v + i c a r ea v e r a g e10 a n d6 b i g g e r t h a nt h ec y c l eo ft s c v + t g , a n dt h eh e a tc o p ha n dr e f r i g e r a t i n gc o p ca r e8 a n d 5 h i g h e rt h a nt h ec y c l et s c v + t g , r e s p e c t i v e l y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lt e s t i n go fc 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g e c y c l et s c v + i ca n dc y c l e t s c v + t ga r ea n a s t o m o t i c k e y w o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lt w os t a g ec y c l e ，g a sc o o l e r , i n t e r c o o l e r , o p t i m u m i n t e r m e d i a t ep r e s s u r e ，c o p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壹盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 主踞扣 签字日期： - j 夕d 1 1 年c ) 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王滓钏 签字日期：1 年0 7 月y 日 导师签名： 乡众 签字日期：。硌孑月弓局 天津大学博士学位论文c 0 2 跨临界双级循环理论分析与试验研究 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，能源和环境问题已经成为制约人类社会高速发展的主要问题，在社会 各种关系中，人与自然的和谐发展日益显得重要与紧迫。酸雨、植被破坏、温室 效应、臭氧层空洞、海洋污染等诸多生态环境问题已经成为全球关注的焦点。为 推动经济、社会和环境的友好发展，节能和环保已经成为2 1 世纪全球共同关注 的首要问趔。 对于制冷空调行业，由于本身耗能加之传统制冷剂对环境的破坏，节能和制 冷剂替代成为本领域的前沿课题，引起国内外专家学者和科技人员的越来越多的 关注，同时，越来越多的国内外资金项目也加大了对该领域的前沿性和创新性研 究的资助力度。 1 1 1 环境保护和可持续发展 在人类社会高速发展的今天，全球范围内的能源和环境问题越发显得重要和 迫切。人类在享受丰富物质生活的同时，也对环境造成了很大破坏。正如恩格斯 在自然辩证法【2 】中所说的：“我们不要过分陶醉于我们对自然界的胜利。对 于每一次这样的胜利，自然界都报复了我们。”人类在享受生产力巨大发展所带 来的丰厚回报的同时，也遭到自然界的无情报复。1 9 6 2 年，r a c h e lc a r s o n 的寂 静的春天，揭开了人与自然共同生存问题的思考1 3 1 ；1 9 7 2 年3 月，罗马俱乐部 发表的增长的极限研究报告，深入分析了人与自然之间的关系，指出自然资 源是有限的，人类必须自觉的抑制增长，否则将使人类社会陷入崩溃1 4 j 。“我们 不只是继承了父辈的地球，而是借用了儿孙的地球 一这句话寓意深刻，联合 国环境方案曾用这句话来告诫世人。1 9 7 2 年6 月，在瑞典斯德哥尔摩召开的 联合国人类环境会议( u n i t e dn a t i o n sc o n f e r e n c eo nt h eh u m a ne n v i r o n m e n t ) 是 世界环境保护运动史上一个重要的里程碑。它是国际社会就环境问题召开的第一 次世界性会议，标志着全人类对环境问题的觉醒。1 9 7 2 年出版的只有一个地 球【5 】一书为可持续发展观奠定了理论基础；1 9 8 1 年，美国学者布朗在建设一 个可持续发展的社会的著作中首次使用并阐述了“可持续发展”的新观点1 6 j 。 1 9 8 7 年，联合国环境发展大会( w c e d ) 的报告我们共同的未来对可持续 第一章绪论 发展进行了明确定义。 1 9 9 2 年联合国环境与发展大会( u n c e d ) 通过了2 1 世纪议程报告，并 最终促进了1 9 9 7 年京都议定书的签订【7 1 。中国政府于1 9 9 4 年3 月通过了中 国2 1 世纪议程，其战略目标确定为“建立可持续发展的经济体系、社会体系和 保持与之相适应的可持续利用资源和环境基础”。 1 1 2 臭氧层破坏和温室效应 常规制冷剂对环境的影响主要表现在对臭氧层破坏和产生温室效应。臭氧层 破坏和温室效应表现在臭氧含量不断减少和c 0 2 浓度不断增加，将会对人类居 住的环境产生巨大的影响，甚至是灾难性后果1 8 , 9 。臭氧层破坏和温室效应已经 成为全球共同关注的问题。 臭氧层破坏和温室效应已经成为国际间共同问题，增强环境保护意识，走社 会可持续发展的道路，已经成为必然选择的途径。在开展环保制冷剂的替代研究 中，启用自然工质不失为一条最安全的途径。 1 1 3 制冷剂替代研究 随着c f c s 、h c f c s 禁用的提出，人们对制冷剂替代的研究方兴未艾。近十 多年来科学家们通过不懈努力，研究出大量的过渡性或长期的c f c s 和h c f c s 替代物，并研究出相应的应用技术及设备，在制冷和空调行业得到广泛的应用。 上世纪9 0 年代，美国杜邦、联信、英国帝国化学公司、美国环保局( e p a ) 和 美国a r i ( 制冷学会) 提出了自己的替代物方案【1 0 】。 图1 1 制冷剂替代示意图 目前，制冷剂替代主要有两条途径：以德国、瑞典等欧盟国家为代表的一派 主张采用碳氢化合物做制冷剂，认为采用生态系统中现有的天然物质作为制冷 剂，可从根本上避免环境问题，替代物为r 7 1 7 、r 7 4 4 、r 2 9 0 、r 6 0 0 a 四种；美 天津大学博士学位论文c 0 2 跨临界双级循环理论分析与试验研究 国和日本为代表的另一派主张采用h f c s 等人工合成制冷剂。图1 1 给出了制冷 剂替代示意图。 1 2c 0 2 自然工质重新启用 虽然新合成的制冷工质在替代c f c s 和h c f c s 类制冷剂方面具有积极作用， 但研究表明，这些新工质并没有达到“长期”替代物的要求，这些物质的寿命或 长或短，都会增加温室效应，或分解产生其它的副作用。从环境的长期安全性出 发，重新启用自然工质是一种非常安全的选择。 在制冷剂历史上，人类最初使用的是c 0 2 、n h 3 和s 0 2 等自然工质。1 9 世 纪后期，c 0 2 作为制冷剂曾被广泛应用在船用制冷机中。随后，性能优良的合成 制冷剂逐渐替代了c 0 2 的作用。近2 0 多年，臭氧层破坏和温室效应问题日益突 出，合成制冷剂的使用开始受到人们的质疑，自然工质的研究开始复荆j 。 作为自然工质，c 0 2 具有很多优点【1 2 j ：环境友好性( o d p = 0 ，g w p = i ) ； 容积制冷量大；无毒、不可燃；压比小，导热性好；与p a g 和p o e 等合成润滑油互溶性好；价格便宜等。另外，c 0 2 也具有一些不足之处，例 如，临界温度较低( 3 0 9 8 。c ) ，临界压力很高( 7 3 7 7 m p a ) ，系统效率较低等。 尽管c 0 2 作为制冷工质具有一些缺点，但已故前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 仍认为c 0 2 是无可取代的制冷工质，并提出跨临界循环理论，指出作为制冷工 质，c 0 2 制冷循环不宜采用普通工质的亚临界循环，而是采用跨临界循环形式， 其可望在制冷空调和热泵领域发挥重要作用。 1 3c 0 2 跨临界系统组成及研究现状 与大多数常规制冷剂相比，c 0 2 的临界温度很低( 3 0 9 8 ) ，因此c 0 2 的放 热过程是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中进行的，这也是“跨临界” 一词的来源。 随着c 0 2 跨临界循环技术在热泵热水器、汽车空调和工商业制冷等领域的 不断深入研究和应用，随之配套的压缩机、节流阀、膨胀机、气体冷却器和蒸发 器等也都达到了不同程度发展。目前，欧洲( 主要是挪威、德国、丹麦和荷兰等) 、 亚洲( 主要是日本) 和美国三个地域水平发展比较快，也在一定程度上代表了国 际先进水平。 第一章绪论 1 3 1 压缩机 压缩机被称为制冷循环中的心脏，可见其作用之大它的发展直接影响到制 冷与空调产品的发展和行业的技术进步。因此，开发高效、结构紧凑和运行稳定 且具有独立知识产权的c o z 压缩机，成为国内外各大企业抢占市场的关键，同 时也为自身的发展带来了机遇。 1 3 】i 活塞压缩机 活塞压缩机以适用压力范围广、材料要求低、加工较容易和技术上较为成熟， 因此，在各种场合，特别是在中小制冷范围内，成为制冷压缩机中应用最早、生 产批量最大的一种机型。 1 9 8 9 年，挪威科技大学( n t n u ) 的f a g e f l i 等人首次进行了c 0 2 跨临界循 环试验i l ”。其选用的压缩机为丹麦s a b r o e 公司制造的c 0 2 职缸活塞压缩机。 s a n d e n 公司与l u k 等公司合作开发了c 0 2 汽车空调压缩机，是在r 1 3 4 a 压 缩机的基础上进行改造，如圈1 2 。 簿 图i - 2s a n d e n 几u k 公司的c 0 2 斜盘式压缩机 该类型压缩机工作压力为4 m p a1 2 m p a 转速5 0 0 5 0 0 0 r p m 。外壳可与 v d ar 1 3 4 a 型压缩机互换，壳体材料为钢和铝。压缩机容积3 0 c m l ，3 0 c 时进、 出口压力为4 m p a 和1 2 m p a ，转速为6 0 0 9 5 0 0 r p m 。窖积效率可达7 0 8 0 。 意大利d o k l n 公司开发的半封闭活塞压缩机已开始批量生产，产品包括跨 临界和亚临界两种类型工作压力达1 4 m p a ，分 为单级双缸和双级双缸，排量分别为3 5 1 0 7 m 和30 1 2 6 一h ，额定转速为1 4 5 0 2 9 0 0 r m i n ( 5 0 h z ) 。单级气缸宣径为1 8 r a m 、2 2 r a m 和3 4 r a m ，缸径比一般在o 3 i 5 ，双级气缸直 径为2 9 r a m + l8 r a m 3 4 r a m + 2 2 r a m ，5 2 r a m + 3 4 m m 。缸径比在0 1 1 6 之间1 1 4 1 。图1 3 为该 公司的c 0 2 半封闭活塞压缩机产品系列之一。 图i 3 单级艰缸压缩机( 4 k w ) 天津大学博士学位论文c 0 2 跨临界双级循环理论分析与试验研究 德国b o c k 公司设计的往复双缸直列式汽车空调压缩机，是由b o c kf k x 3 开式系列压缩机改造而成，如图1 4 1 1 5 设计中曲轴负荷不变，考虑系统工作压 力大减小了活塞直径。该压缩机排量1 2 0 c m ，缸径2 8 r a m 行程仍为4 9 r a m ， 压缩机采用2 个直列式气缸，这就将原来2 3 3 c m 3 的气缸容积降到了6 0 e m 3 。为 了密封气缸与曲轴每个活塞上装有四个活塞环。测试结果表明，其指示容积效 率为8 5 9 0 ，指示轴效率为7 5 8 5 。 丹麦d a n f o s s 公司制造了三缸斜盘式压缩机，如图1 5 所示。该压缩机活塞 直径1 85 r a m ，排量2 6 e m 3 ，活塞行程3 l9 m m 。 薰嘲 图1 - 4 b o c k 公司c 0 2 压缩机图i - 5 d a n f o b s 公司c 0 2 压缩机 j u r g e ns u b 和h o r s tk i l l 5 0 分析了这两种压缩机气缸内的传热情况，发现传热 影响很小，可以忽略，而泄漏则是影响效率的主要因素”。转速1 0 0 0 r p m 时， 理论容积效率高于6 0 ，最高可达到7 5 ，当缸径比达到13 时，效率最高。活 塞直径减小，泄漏间隙减小，则泄漏损失降低，但活塞直径小，为保证阀有足够 的流通面积，因此，阀的设计十分关键。研究表明，利用密封环和润滑油可有效 的防止泄漏。 c 0 2 单位容积制冷量为常规工质的5 7 倍左右，因此，常规工质2 0 e m 3 容 积的压缩机，对于c 0 2 压缩机，其容积可下降到25 e r a 3 左右。图1 6 为d a n f o s s 公司生产的容积为2 5 e m 3 的c 0 2 活塞压缩机，其产量已经超过5 0 0 0 0 台，主要 用于热泵及售货机等领域m 】。 图1 - 6 d a n f o s s c 0 2 压缩机图i - 7 0 b r i s t c 0 2 压缩机 第一章绪论 奥地利的o b r i s t 公司开发的c 0 2 汽车空调压缩机，图l - 7 。该类型压缩机 可分为定排量和变排量两种形式，具体参数见表1 i m j 。 表i - 1o b r i s t 公司的c 0 2 活塞压缩机参数 在l e a 资助的小型无油活塞压缩机项目中，瑞士z u r i c h 大学对c 0 2 无油压 缩机进行了研究，主要用于食品行业，实现c 0 2 跨临界循环冷藏保鲜功能，图 l 一8 。该类型压缩机为单级半封闭式，由高效变速永磁同步电机驱动，4 个缸 体呈十字对称分布，活塞直径1 0 r a m ，活塞行程1 6 r a m ，吸气压力3 5 m p a ，排气 压力8 1 5 m p a ，转速为5 0 0 3 0 0 0 r p m ，功率5 0 0 w 。目前，该类型压缩机正处 于各种工况下性能测试，尚未发现任何问题，预期不久将来可以批量生产。 日本静冈大学与日本d e n s o 公司台作开发了往复式活塞压缩机8 。吸气 压力3 5 m p a ，捧气压力1 0 1 m p a ，括塞直径l5 m m ，行程1 9 8 m m ，余隙容积效 率6 5 。测试结果表明容积效率为7 0 ，低于理论设计值9 1 7 绝热效率 约为8 0 。当润滑油混合比为3 5 时，容积效率和绝熟效率均上升，超过该 范围。过多的润滑油在高温下对吸气流量起到消极的影响。 图i - 8 c 0 2 无油压缩机图i - 9 c 0 2 职级活塞压缩机 l3 12 滚动活塞压缩机 日本s a n y o 公司开发了c 0 2 双级滚动活塞压缩机，如图1 9 t 2 ”。第一级排气 分成两部分：一部分制冷剂进入第二级压缩腔，压缩后成为第二级高压排气：另 天津大学博士学位论文c 0 2 跨临界双级循环理论分析与试验研究 一部分制冷剂进入壳体内保证壳体的压力为中间压力，然后再进入二级压缩腔。 该压缩机具体尺寸参数为：直径1 1 7 2 r a m 、高2 4 43 r a m ，排气容积为26 3 c m ，额 定功率7 5 0 w ，吸气压力3 2 m p a ，排气压力奠2 m p a ，等熵效率超过8 0 。 文献拉2 1 对滚动活塞压缩机的工作过程建立了数学模型，并进行了性能研究。 结果表明，以r 2 2 为制冷剂和a s h r a e - t 测试工况条件下，系统e e r 约为l o 8 3 ： 容积效率、绝热效率和机械效率分别为9 25 、9 3 2 和9 2 3 ；与往复压缩机相 比，滚动活塞压缩机扭矩要小些。 13 1 3 摆动转于压缩机 摆动转子压缩机比往复活塞压缩机尺寸小约4 0 5 0 ，重量轻约5 0 ，组 成都件少约3 0 3 9 ，结构简单吲。由于没有往复运动力作用，因此摆动转子 压缩机具有很好的动平衡特性，所有这些特点，使得小功率( 小于l o k w ) 转子 压缩机在家用空调和汽车空调市场上占有很重要的地位。 器 i 拿 嚣 翦 图1 - 1 0 d a m n c 0 2 转子压缩机 图】- l i 一种新型转子压缩机模型 日本d a k i n 公司开发了c 0 2 摆动转子压缩机，图l - 1 0 i 。该压缩机尺寸为 中1 2 6 r a m 2 6 5 m m ，容积为3 4 c m 3 ，采用永磁式同步直流电机。主要用于c 0 2 热泵热水器和汽车空调。o h k a w a 等研究表明，气缸的高直径的比值降低，压缩 机效率提高。与r 4 1 0 a 压缩机强度比较，c 0 2 摆动转子压缩机最大应力均不大 于r 4 1 0 a 压缩机，这也表明c 0 2 压缩机具有较小的偏心距。 尽管如此，转子式压缩机仍具有难以克服的固有缺点：运动部件相对较高的 运转速度，导致较大的摩擦损失；较大的泄漏间隙，引起较大的制冷剂泄漏可能 性；较高的制造和组装精度，带来较大的生产成本；转子和活塞间的复杂运动， 对平衡块的设计比较用难口”。诸如以上缺点，在很大程度上也限制或缩短了该类 型压缩机的运行周期。也引起了国内外许多学者的关注，逮方面的研究也正处于 逐渐深八研究中。 文献1 2 3 1 给出了一种设计新型的全封闭转子式压缩机模型见图1 1 1 。该类 第一章绪论 型压缩机采用独特的摩擦减小技术和密封结构，特色在于气缸和转子分别绕各自 固定轴线旋转，气缸、滑板等部件紧密啮合，因此，克服了转子活塞压缩机摩擦 损失大、泄漏严重、机械平衡差以及运行周期短等问题i2 。i 。 13 14 涡旋压缩机 日本d e n s o 公司开发了c 0 2 涡旋压缩机 2 6 】见图1 1 2 。压缩机的容积为 3 3 c m 3 ，尺寸为中1 3 7 r a m 2 8 5 m m ，采用直流电机和变频器。为降低摩擦损失采 用滚动轴承，精密的加工和装配可降低泄漏损失，使压缩机达到高效运转。 在r 4 1 0 a 涡旋压缩机的基础上，日本松下( m a t s u s h i t a ) 公司开发了c 0 2 涡旋压缩机，制冷量为2 5 5 0 k w ，见图卜1 3 1 2 ”。通过减少涡圈圈数，降低涡 圈高度，设计耐高压的壳体和排气端盖。测试结果表明，容积效率与r 4 1 0 a 压 缩机相差不大，压缩机的效率大于7 0 。另外，m a t s u s h i m 公司还对不带贮液器 的c 0 2 涡旋压缩机进行了研究，在减小摩擦损失、泄漏损失和降低运行噪音等 方面取得了一定效果。 舰 幽 彖 图1 1 2 d e n s o 公司c o ：涡旋压缩机图1 - 1 3 松下公司c 0 2 涡旋压缩机 文献1 2 8 - 3 0 i 对涡旋压缩机动、静涡盘进行了有限元分析，为涡旋压缩机受力部 件设计，提高效率提供了理论依据。 此外，日本日立( h i t a c h i ) 和三菱重工( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e s ) 分 别对热泵热水器和汽车空调用c 0 2 涡旋压缩机进行了研究p ”。 13 15 螺杆压缩机 与活塞压缩机相比，螺杆压缩机具有以下特点：采用喷润滑油或冷凝液冷却， 排气温度低( 近似等温压缩) ：容积效率高，制冷量大，负荷调节能力强；易损 部件少，运行平稳等。但也具有运行噪音大，部件更换成本昂贵等缺点【3 ”。 日本m a y e o m 公司推出了c 0 2 单螺杆压缩机，图1 1 4 。该类型压缩机采用自压 差方式的油分离系统由油气分离罐分离出来的油与来自冷却塔的冷却水进行热 天津大学博士学位论文c 0 2 跨临界双级循环理论分析与试验研究 交换，降温后的油再回到压缩机同时，c o ：制冷剂 进入气体冷却器进行换热，整个机组实现了冷、热 同时利用m i 。 1 伦敦c i t y 大学n i k o l as t o s i c 等人口2 1 对c 0 2 螵杆k ? 压缩机喷油、制冷剂注入以及噪音等问题进行了研 究。ns t o s t i c 小组对c 0 2 双螺杆压缩膨胀机进行了 图1 一】4c 0 2 螺杆压缔n 理论研究畔】。挪威科技大学n t n u 试验室对c 0 2 螺杆压缩机性能进行了研究。 西安交通大学邢子文教授对c 0 2 跨临界往复活塞压缩机进行了研究p 目。基 于质量守恒、能量平衡和动量定理，对吸排气阀气体流动、泄漏及阀体运动进 行了分析，见图1 一l5 。通过气缸内压力和温度等热力学参数计算，探讨了制冷量 及系统c o p ，压缩过程中c 0 2 物性参数及传热特性等也给予了研究，见图l - 】6 。 图l - 1 5 流动及泄漏模型闰l 1 6 压缩机p v 图 1 3 2 膨胀装置及膨胀机 在制冷循环中，膨胀装置主要作用：节流降压，使低压液态制冷剂在蒸发器 中蒸发吸热；调整供入蒸发器的制冷剂的流量以适应蒸发器热负荷的变化，使 制冷装置更加有效的运转。 d a n f o s s 公司、美国p u r d u e 大学l id a q i n g 和g r a i l 等人对c 0 2 膨胀阀进行 了研究。加拿大y c h c n 等i ”埘c 0 2 跨临界循环用毛细管进行了研究。日本 d e n s o 公司开发了c 0 2 热泵热水器中可变喷嘴面积的引射嚣口”。 针对c 0 2 跨临界循环节流损失大，约占系统总损失的3 72 。采用膨胀机回 收膨胀功，进而可以提高系统效率刚。 1 9 9 4 年，l o r c n z e n 教授就提出用膨胀机代替节流阀来提高系统效率的方法。 德国的m a u r e r 和z i n n 对轴向斜盘活塞式c 0 2 膨胀机和内齿轮泵c 0 2 膨胀机进行 了试验研究【4 ”。挪威科技大学n t n u 试验室的t o n d e l le 对c 0 2 透平膨胀机进 行了试验研究】。美国p u r d u e 大学的r o b i n s o n 和g r o l l 对c 0 2 跨临界循环带膨 胀机与不带膨胀机装置进行了分析【4 2 】。美国u i u c 大学的a c r c 研究中心对汽 第一章绪论 车空调上应用c 0 2 离心式膨胀机进行了研究m 1 。 德国jn i c k l 等人开发了c o ：跨临界循环三级膨胀压缩机样机，并进行了试 验研究州。结果表明，该样机膨胀部分等熵效率6 5 7 0 ，压缩部分超过9 0 。 与节流阀循环相比，系统c o p 提高了4 0 阻上。 在国内天津大学热能研究所从2 0 0 0 年就开始了c 0 2 膨胀机的研究，e l 前 己开发出了第三代滚动括塞膨胀机，见图1 - 1 7 。试 验结果表明，该膨胀机的绝热效率为3 0 以上，最 高效率达到4 6 ，具体结构参见文献h 9 。文献【“1 对膨胀机内部结构进行了有限元分析。文献1 4 ”对膨 胀机内部汽液相变研究提供参考。 西安交通大学的邢子文、彭学院等分别对c 0 2 滑片式膨胀机和自由活塞式膨胀机【4 9 划进行了研 究，见图1 1 8 。测试表明，滑片式膨胀机内部泄漏比 较严重：活塞式膨胀机川在较高频率下吸气不充分， 图l 1 7c o ：滚动活塞膨胀机 使得膨胀机效率降低。不同频率下的p t 图表明，活塞式膨胀机最佳工作频率为 i o 1 7 1 - 1 z ；p - v 图分析表明，该膨胀机等熵效率为6 2 r 见图1 一1 9 。 k 图i - i g c 0 2 自由活塞膨胀机 图】一1 9 c 0 2 自由活塞膨胀机p - v 圈 1 3 3 换热器 c 0 2 跨临界循环换热器包括气体冷却器( 常规制冷循环称为冷凝器) 和蒸发 器，是外界流体与内部制冷剂进行热、冷量交换的场所其效率如何将直接反映 整个循环的性能。 1 3 3l 气体冷却器 气体冷却器主要有两种类型：一种是空气冷却型主要用于汽车空调、单元 式空调等t 另一种是水冷却型，主要用于热泵热水器。 由于c o ：制冷剂具有良好的流动特性、传热特性和高的单位容积制冷量 ( 2 2 6 0 0 k j m 3 ) ，因此，c 0 2 气体冷却器完全可以设计成紧凑模式，既节省有效 露趟滋 天津大学博士学位论文c o 艚临界职级循环理论分析与试验研究 空间，又能降低材料消耗成本。但是，c 0 2 跨临界循环压力较高，有时甚至超过 1 0 m p a ，这为c 0 2 气体冷却器的设计又提出了特殊要求。 文献口”首先对c o z 汽车空调气体冷却器进行了研究，该气体冷却器为铝制 管翅式，虽经多次优化设计，但效果并不十分理想。 1 9 9 8 年，p e n e r s e n 等人提出了c 0 2 空调气体冷却器和蒸发器“微通道”( 实 为小通道) 设计理念。“微通道”气体冷却器由积液管、平行微管以及微管间的 折叠翅片构成，见图l - 2 0 。微管嵌入积液管“插槽”上，积液管被设计成两根平 行连通圆管，管内用平板沿垂直于制冷剂流动方向隔开，实现积液管间的多流程。 文献1 5 3 i 对该气体冷却器进行了性能研究。但室外换热器结霜和室内机结露等问题 仍需有待解决。 图l 一2 0c 0 2 汽车空调微通道气体冷却署 ( a ) 微通道几何结构；( b ) 积液管截面；( c ) 微通道换热管截面 由于采用小管径和紧凑设计，使得换热器无论在重量上还是体积上都具有很 大优势，加之高效焊接技术和良好性能微通道换热嚣在交通运输领域备受青睐。 文献1 5 4 堋对c 0 2 空气冷却器进行了有限元分析，提出了多管程单列交叉流 式和单管程多列逆流式的换热嚣设计理念。结果表明，单管程逆流式换热器性能 优于多管程交叉流式。 文献闻对鲭片式c 0 2 气体冷却器的传 熟特性进行了试验研究，见图1 - 2 1 。该换热 _ 器被放于试验房问，通过改变换热强度显著 、 部位的鳍片数目，测量不同工况下换熟器的 性能，并对换热器改变鲭片前后的换热效果 进行了红外影息分析。结果表明，减小鳍片 数目的换热器，传热特性更为显著，平均换 一 、一 热性能提高了39 ，c o ：制冷剂出口与空气 。 侧进口之问的温差减少到0 9 1 5 系统 罔1 - 2 1 话片式挠热器及测试段 黜，州 碱一 第一章绪论 c o p 提高了5 ，其中，系统误差为2 5 ，温度测量精度小于0 1 。 p i e t r o a s i n a r l 等人结合近年来众多学者传热系数方面的研究成果，利用有限 窖积法和有服单元法，对鳍片式换热器表面传热特性进行了数值研究b ”。分析了 鳍片的外表面和内表面对传热特性的影响，两根鳍片管端部流场分布以及沿着鲭 片管壁的传热特性等。 s k a u g e n 等人对不同类型c 0 2 制冷系统换热器建立了模型，并进行了计算机 模拟脚i 。美国m a r y l a n d 大学h w a n g 和r a d e r m a c h e r 建立了c 0 2 跨临界循环系统 数学模型，进行了相关仿真研究口q 。上海交通大学陈江平教授和丁国良教授分别 对c 0 2 汽车空调换热器进行了试验研究和仿真分析凹】。具体c 0 2 换热器仿真研 究可参阅文献【6 “。 c o ：气体冷却嚣的另一个用途就是应用于热泵热水器。2 0 世纪8 0 年代，挪 威s i n t e f n t n u 研究所首先对c 0 2 热泵热水器进行了研究。在2 0 0 1 2 0 0 2 年， 日本一些企业把c 0 2 热泵热水器推向了市场，并开发了不同形式的c o z 气体冷 却器，见图1 2 2 。 图1 2 2c o z 热泵热水器的气体冷却器结构 国内外很多企业对c 0 2 跨临界循环气体冷却器进行了研究，图1 2 3 为c 0 2 内螺旋管式气体冷却器。天